数字成型取样和处理引导赛车头盔的快速流体动力学(CFD) 计算分析

在2004年雅典奥运会以前，英国自行车队委托谢菲尔德大学的英国运动工程研究组（SERG）进行计算流体动力学(CFD)研究以改进他们设备的空气动力。运用数字成型取样和处理（DSSP), 计算流体动力学(CFD)和先进的可视化方法，综合的高科技软件帮助该队获得四块奥运会奖牌。

大赛前的计算流体动力学分析

2004年6月，在雅典夏季奥运会开始前的几个星期，自行车运动管理中心通过规定，强调只有通过公认的实验室正式安全测试的头盔才能被用于奥林匹克追逐比赛。英国自行车运动队有四种头盔设计满足了规格要求，每种头盔有不同的空气动力形式。

为了确定哪一种头盔更适合比赛，该运动队求助于英国运动工程研究组（SERG）来进行计算流体动力学(CFD)分析。运动工程研究组无法用CAD创建为计算流体动力学(CFD)分析需要的数字模型，因为没有足够时间从设计草稿来建模，而且CAD不适合创建这样的有机形状。为了满足头盔和运动员的精确建模, 必须用逆反工程的数字建模去满足计算流体动力学(CFD)分析的需求。

运动工程研究组决定最好的解决方法是数字成型取样和处理（DSSP）。数字成型取样和处理（DSSP）就是利用扫描硬件设备来数字化捕获实物对象，并专门用逆反工程软件自动创建精确的带有相关结构特性的三维模型，这些结构特性被用于设计、工程、检验和定制生产。

运动工程研究组用装于法如金臂（Faro Gold arm）上的非接触式激光三维扫描仪ModelMaker X70捕获运动员和头盔的几何形状。扫描一个头盔约25分钟，时间与设计的复杂程度有关。法如臂在实体上运动，获取点云数据和三座标信息。

运动工程研究组策划从不同的角度扫描运动员在比赛中的位置数据、一个角度从空气动力学算优势，另一个角度从赛车人的低头骑车以及头盔形状效果的数据算优势。因为时间紧急，他们最后没有用赛车人，用了一个研究人员代替赛车人测人体形状。人体被扫描两个多小时，在扫描过程中允许休息。完整的扫描被分成几个相连的部分—上臂、下臂、手，以便消除扫描过程中由于突然运动而带来问题。

优化复杂的扫描数据

扫描来的四个不同的头盔点云数据被输入到Geomagic Studio软件。Geomagic Studio软件被广泛用于汽车业和医学数字成型取样和处理（DSSP），汽车业用它生成数字模型，用于精确计算流体动力学(CFD)分析，医疗界用它定制适合人体的个性化生产。

Geomagic Studio软件自动对齐扫描数据，从点云生成多边形网格，模型被清除扫描带来的洞眼和缺陷。在多边形网格上创建曲面片，然后与CAD/CAE或快速成形机接轨。

扫描人体的点云数据约六百万个，原始点基本用统一方式处理。由于运动工程研究组的研究人员在扫描过程中的微小移动，必须做一些附加的降噪和对准数据工作。

运动工程研究组用了Geomagic Studio的降噪特性以及编辑和过滤工具，去优化人体数字模型。Studio软件的多边形几何再造功能被用来填补缺失数据，如体毛、眉毛由于激光散射未被获取的数据。其它Geomagic Studio工具被用来细化耳朵和紧密缝隙处的扫描数据，使模型高度逼真。多边形和NURBS曲面片被用于人体模型，并被

Studio以STEP格式文件输出，因为易用的几何文件不应太大。

用可视化证明结果

STEP文件含有每种头盔设计和人体几何形状，人体的曲面再被网格化，用于计算流体动力学(CFD)分析，每个模型周边都有一个流体动力学分析区。网格数量从二百万到七百万单元，取决于模型的几何形状。为了获取边界层流动特征细节，在可能的分析区生成棱形单元。

计算流体动力学(CFD)分析软件用的是Fluent公司的软件，它将这次边界数据和运动工程研究组（SERG）以前的一个英国骑车项目获得的实体条件数据结合起来。

计算流体动力学(CFD)结果被输入到CEI公司的 EnSight软件，它产生了高度细节化的流线可视效果，表现头盔的空气动力学性质。英国运动工程研究组集中选择表现模拟中的阻力和升力，用等值面表现尾流结构和质子的流线型，以便让涡流和回流路径可视。

基于尾流结构和回流路径可视化，运动工程研究组可以很快识别模型的不同几何元素（如头盔和骑车人）怎样相互作用和相互影响。他们能够查明导致高阻力的大尾流。根据该结果，SERG能够推荐一种最理想的头盔款式，以便降低空气动力阻力和升力。

英国运动工程研究组所做的这种最优化的自行车设计和头盔建议，为英国自行车队在雅典夏季奥运会自行车比赛上的成功作出了贡献。为了2008年北京夏季奥运会，他们又在同英国自行车队合作。